석유(petroleum)와 석탄(coal)에 대하여

석유란?

천연으로 지하에서 솟아나오는 탄화 수소의 혼합물을 의미합니다. 색깔이 어둡고 기름기가 있어서 불이 붙기 쉬우며 물과 섞이지 않습니다. 가공하지 않은 상태를 원유라고 부릅니다. 원유를 증류하여 휘발유, 등유, 경유, 중유, 석유피치, 석유 아스파르 등을 얻을 수 있습니다. 

지질학자들은 대부분 석유가 수백만 년 전에 죽은 유기체의 잔해에서 만들어졌다고 주장합니다. 이유는 석유에 유기물에서만 만들어질 수 있는 화합물이 들어있다는 사실 때문입니다. 천연가스도 석유와 같은 과정으로 만들어지기 때문에 원유와 함께 나오거나 원유에 녹은 상태로 존재합니다.

석유의 생성과정

과거에는 물로 덮여 있는 지역이 현재보다 면적이 넓어서 작은 생물들이 무리지어 얕은 물에 살거나 해수면 가까이 떠다녔습니다. 이 생물들이 죽어서 바다 밑에 가라앉고 그 위에 진흙이나 모래 등의 퇴적물이 쌓이게 되면 죽은 유기체의 잔해는 물에 쓸려 떠내려가지 않게 됩니다. 그 후 퇴적물이 계속 쌓이게 되면 유기체의 잔해는 바다 속 깊숙이 묻히게 됩니다. 

깊은 곳에서 퇴적물은 높은 온도와 압력으로 인해 압축되어 퇴적암이 되는데 죽은 유기체의 잔해는 그 속에서 화학반응을 일으킵니다. 이 과정으로 '케로겐'이라는 말랑말랑한 물질이 만들어지는데 지하의 온도가 100℃ 이상이 되면 케로겐은 액체인 기름과 기체인 천연가스로 나누어집니다. 하지만 기름이 너무 깊이 묻혀 있어서 온도 200℃ 이상이 되면, 크고 복잡한 기름 분자 사이의 결합이 약해져서 기름이 분해됩니다.

기름이 만들어지는 온도의 범위를 오일창이라고 하는데, 이 범위 아래에서는 기름이 잘 만들어지지 않습니다. 매우 깊은 곳은 온도가 높기 때문에 석유는 대부분 분해됩니다.

기름과 가스는 자연적으로 암반 속에 만들어진 통로를 따라 여러 차례 위로 올라옵니다. 자연적으로 만들어진 통로란 바위에 생긴 틈이나 공극이라고 하는 작은 구멍입니다. 이 사이로 기름이 올라오는 이유는 암반 속에 물이 있기 때문일 것이라는 추측을 할 수 있습니다. 물은 기름보다 밀도가 크기 때문에 기름을 위로 밀어올립니다. 기름을 덮고 있는 암석층의 무게 때문에 기름이 틈이나 공극을 따라 올라올 가능성도 있습니다. 기름과 가스는 저류암으로 이동합니다. 저류암은 공극이 많고 투수성(공극끼리 서로 연결되어 있어 액체가 이동 할 수 있는 성질)이 커서 액체가 쉽게 통과할 수 있습니다. 연결된 공극을 통해서 기름과 가스가 계속 위로 올라오다가 더 이상 통과 할 수 없는 암석층에 도달하면 그 아래에 고이게 되는데 이를 트랩이라고 부릅니다. 오랜 시간이 지나 지각변동이 일어난 뒤 바다가 육지로 바뀌면 저류암과 트랩이 드러나게 됩니다. 

 

석유의 생성 장소

땅 속에 있는 석유 트랩의 종류로는 배사, 단층, 층리, 암염돔이 있습니다. 배사는 암석이 아치 형태를 이루고 있어서 그 아래에 석유가 고일 수 있습니다. 단층은 지층이 어긋나면서 석유가 고일 수 있는 투수성 지층 위에 불투수성 지층이 놓이는 경우에 트랩이 됩니다. 층리는 석유가 스며들어 있는 지층을 불투수성 지층이 둘러싸고 있는 경우에 트랩이 됩니다. 암염돔은 퇴적층 사이에서 기둥이나 원뿔 모양의 암염이 만들어져 지층을 이치 모양으로 들어올리는데 암염 기둥 주위에 석유가 고입니다. 저류암과 트랩은 대부분 지하 깊은 곳에 묻혀 있다가 지각변동 때문에 위로 이동합니다. 하지만 일부 저류암은 지표면 부근에 있습니다. 지표면 부근의 얕은 곳에서 만들어진 기름은 지표면 위로 새어나오거나 샘이 되어 지표면으로 흘러나오기도 합니다. 사람이 사용할 수 있는 많은 기름이 만들어지려면 수백만 년이 걸리는데, 현재 석유가 만들어지는 속도보다 사람들이 사용하고 있는 소비량이 많아지고 있습니다. 

 

석탄이란?

검고 단단하며, 탈 때 열을 내는 고체물질을 의미합니다. 주로 탄소로 이루어져 있으며, 물, 황, 질소, 인 등을 포함하고 있습니다. 석탄은 탄화된 정도에 따라 무연탄, 역청탄, 갈탄, 이탄으로 나누어지는데 탄화정도가 가장 큰 무연탄의 경우 탄소 함량이 90~95%정도 입니다. 

석탄의 생성과정

석탄은 지구에 육상식물이 처음 나타나기 시작한 4억 5천만 년 전(고생대 실루리아기)부터 만들어지기 시작했습니다. 하지만 가장 넓은 범위에 걸쳐 만들어진 때는 고생대 석탄기에서 페름기까지와, 중생대 백악기 동안입니다. 석탄은 비가 많이 오고 따뜻한 열대나 아열대기후 지역에서 주로 만들어집니다. 늪지대에 살던 식물이 죽으면 늪바닥에 쌓이고, 계속해서 퇴적작용을 받으면 유기물은 깊이 묻히게 됩니다. 온도가 올라가면 유기물을 이루고 있던 성분 가운데 수소와 산소가 빠져나가므로 남아있는 퇴적물의 탄소 함량이 점점 높아지게 됩니다. 

석탄으로 바뀌는 첫 번째 단계에서는 어두운 갈색의 갈탄이 만들어집니다. 갈탄은 위쪽에 퇴적된 퇴적물의 무게와 지각변동 때문에 이탄이 압력을 받아 만들어진 것입니다. 갈탄이 더 큰 압력을 받으면 역청탄이 되고, 역청탄이 더 강한 압력을 받으면 석탄 가운데 가장 단단한 무연탄으로 바뀌게 됩니다. 

 

석탄층

석탄이 묻혀 있는 층으로 두께는 보통 1m이하이며, 3m 이상의 것은 매우 드뭅니다. 하지만 어떤 경우에는 100m이상되는 석탄층이 발견되기도 합니다. 어떤 석탄층은 지표에 거의 수평하게 발달하기도 하고 지각운동으로 뒤틀림을 받아서 경사진 것도 있습니다. 깊은 곳에 있는 석탄층은 대부분 무연탄이나 역청탄이 주를 이룹니다. 지각 운동으로 역청탄과 무연탄이 지표면 근처까지 올라오는 경우가 많으며 산이나 능선에 발달한 석탄층으로 알 수 있습니다. 

 

우리나라의 석탄 분포도

우리나라에서는 석탄층을 포함하고 있는 함탄층으로는 고생대 페름기의 장성층, 중생대 쥐라기의 대동층군, 옥천누층군의 창리층, 신생대 제3기의 영일층 등이 있습니다. 

우리나라의 석탄 매장량은 약 15억 톤이며, 이 가운데 캐낼 수 있는 양은 약 50%인 7억 5천만 톤 정도 입니다. 석탄은 우리나라에서 생산되는 유일한 화석연료입니다. 1980년대 초반까지는 가장 중요한 에너지원이었지만 이후 주요 에너지원이 석유, 가스, 원자력으로 바뀌게 되면서 석탄에 수요가 줄어들게 되었습니다.